Op penicilline gebaseerde antibiotica bevatten een vijfledige koolwaterstofcyclus, bovendien een zwavel- en een stikstofatoom bevatten. Nadine Zumbrägel, promovendus aan de leerstoel Organische Chemie I aan de Universiteit van Bielefeld, is erin geslaagd om deze belangrijke substructuur selectief te synthetiseren met verschillende residuen op deze cyclus met behulp van een biotechnologische methode. Het gerichte ontwerp van dergelijke structuren maakt het nu mogelijk om substantiebibliotheken van dergelijke zogenaamde heterocycli te maken, die in de toekomst door de farmaceutische industrie kunnen worden gebruikt om nieuwe werkzame stoffen te vinden. Naast de chemici van Bielefeld, bij de onderzoeken waren ook twee wetenschappers van de Ruhr-Universiteit Bochum betrokken. De onderzoekers presenteren hun bevindingen vandaag (16 mei 2018) in het gerenommeerde tijdschrift Natuurcommunicatie met Zumbrägel als eerste auteur en Professor Dr. Harald Gröger, hoofd van de leerstoel Organische Chemie I, als corresponderende auteur.

Onlangs, in Chemisch en technisch nieuws , antibiotica werden beschreven als een van de negen manieren waarop chemie de wereld heeft veranderd. Van bijzonder belang zijn penicillines, die op hun beurt een vijfledige koolwaterstofkringloop bevatten met een zwavel- en een stikstofatoom bovendien daarin opgenomen. De selectieve productie van deze belangrijke onderbouw, flexibel uitgerust met verschillende substituenten op de cyclus, vertegenwoordigt op zijn beurt een stoffenbibliotheek voor het vinden van nieuwe geneesmiddelstructuren. In principe, toegang tot deze cyclische structuren is denkbaar vanaf goed toegankelijke substraten, de zogenaamde 3-thiazolinen. De cyclische structuur is al voorgevormd en "slechts" één dubbele binding hoeft door middel van een reductie omgezet te worden in een enkele binding.

Hoewel deze 3-thiazolines al tientallen jaren bekend zijn en voor het eerst werden gerapporteerd in de jaren vijftig, deze omzetting bleek synthetisch moeilijk te zijn. Dit is opmerkelijk omdat er over het algemeen een groot aantal chemische methoden beschikbaar zijn voor het reactietype van reductie en al met succes zijn gebruikt voor tal van synthesedoeleinden. Er zijn verschillende redenen waarom dergelijke "klassieke chemische" processen niet effectief bleken bij de productie van deze samengestelde klasse van vijfledige cycli met ingebouwde zwavel- en stikstofatomen:bijvoorbeeld, sterk reducerende processen leiden tot ongewenste ringopening en in andere reductieprocessen met metaalkatalysatoren, de zwavel in de cyclus werkt als een katalysatorgif. Ook de vereiste selectiviteit bleek een onoverkomelijke hindernis:tijdens reductie, chirale verbindingen kunnen vormen, die zich gedragen als beeld en spiegelbeeld. Voor werkzame stoffen is het van belang dat slechts één van deze vormen, zogenaamde enantiomeren, is aanwezig. Eerdere methoden waren in staat om de ring in het beste geval te behouden, maar resulteerde in slechts extreem lage selectiviteiten.

In haar proefschrift gefinancierd door het Duitse federale ministerie van Onderwijs en Onderzoek (BMBF) als onderdeel van de "Biotechnology 2020+, Financieringsprogramma van de volgende generatie van biotechnologische processen, Nadine Zumbrägel is er nu voor het eerst in geslaagd om op zeer selectieve wijze 3-thiazolines te reduceren zonder nevenreacties op de gewenste doelverbindingen, slechts één enantiomeer vormen. Voor dit doeleinde, ze gebruikte vertegenwoordigers van de enzymklasse van de zogenaamde imine-reductasen als biokatalysatoren. Zumbrägel legt uit:"De farmaceutische industrie eist steeds meer sterk enantioselectieve synthesemethoden. Een mogelijkheid is het gebruik van enzymen als geschikte katalysatoren, dat zijn reactieversnellende moleculen in chemische processen."

De onderzoekers slaagden er ook in om de reductiemethode uit te breiden naar andere zwavelhoudende heterocyclische verbindingen, zo een platformtechnologie ontwikkelen. De toepasbaarheid van deze reductiemethode is ook al door de wetenschappers op vergrote laboratoriumschaal aangetoond. "Deze succesvolle combinatie van biotechnologie en heterocyclische chemie is een verder bewijs voor het potentieel van enzymen als natuurlijke katalysatoren voor gebruik bij de bereiding van chemicaliën, " zegt Groger, die sinds 2011 met zijn onderzoeksgroep aan de Universiteit van Bielefeld onderzoek doet naar biokatalytische processen voor de synthese van industriële chemicaliën. In samenwerking met professor Dr. Stefan Huber van de Ruhr-Universiteit Bochum, die kwantummechanische berekeningen uitvoerde, het was ook mogelijk om de experimentele waarnemingen rationeel te reproduceren met behulp van computerchemie. Dr. Christian Merten, eveneens van de Ruhr-Universiteit Bochum, combineerde ook kwantummechanische berekeningen met VCD-metingen (Vibrational Circular Dichroism), die de bepaling van de stereochemische eigenschappen van de doelverbinding mogelijk maakte.